巧夺天工的建筑力学

2015-09-10吴旭阳

知识就是力量 2015年12期

吴旭阳

早在原始社会，人类就出现了穴居、巢居等基本的居住方式，人们通过选择天然的山洞或者用树木的枝叶搭建活动的巢穴，这便是最早的一体化传导建筑力学的模型。

随着建筑材料、结构的进一步发展，国外渐渐出现了以石材为主的梁柱结构，中国则多以木构为主，最为著名的要数我国发明的斗拱体系，甚为精妙;除此以外，古希腊、古罗马还衍生出了多种特有的结构，包括桁架体系、拱券体系等，创造了圆屋顶、拱廊、飞扶壁等多种力学传导模式。

到了近现代，随着钢筋混凝土材料的兴起，新的建筑力学结构如“钢筋-混凝土结构”、膜结构等应运而生，诞生了以摩天大楼为代表性建筑的新型建筑形式;此外，一些建筑师还尝试以模块化的结构单元，通过拼接、组装等方式聚合重复，从而形成新型的一体化建筑结构体系。亲爱的读者朋友，本文就将为您揭示一二，带您领略建筑力学的精妙之美。

自然之力，

原始的小屋雏形

“原始小屋”，是对原始社会人类居所的统称，代表最早的人类居住形式。早在旧石器时代，人类没有掌握先进的建造技术，因此山洞是他们最合适的选择，为了防范野兽或者飘雨，人类用树枝等物品在洞口堆积进行遮挡，这便是最早的“穴居”形式了。而在南方湿热地区，为了躲避蚊虫、湿气，诞生了与“穴居”对应的结构方式——巢居，它泛指一切栖息在树上的居住模式，我国很多古书中均有对穴居、巢居传说的记载，如《易·系辞》中所述“上古穴居而野处”;《韩非子·五蠹》所载“上古之世，人民少而禽兽众，人民不胜禽兽虫蛇，有圣人作，构木为巢，以避群害”等。

不论是穴居还是巢居，其结构形式都较为简单，是人类凭借自己的经验和已有的技术，象形地复制自然界中存在的住所形式，其结构和功能并没有明确的界限。随着生产力的进一步提高，人类逐渐拥有了自我建造的能力，也慢慢学会了自己创造“半穴”式的处所。这些早期人类居住方式的雏形，也为之后的梁柱等建筑结构发展指明了方向。

英国巨石阵

梁柱体系：

巧用力的传导与支撑

在原始社会的房屋中，早就埋下了梁柱体系的影子，简而言之，就是力作用于水平横向梁，梁将力传递给竖向传递构件“柱”，再由“柱”传导给大地。在整个力的传导过程中，梁柱的交接点还会承受多方向的“牵引力”，这些促使我国古代建筑师创造性地发明了“斗拱”体系。

最早的“梁柱体系”结构可以追溯到新石器时代的英国埃夫伯里巨石遗址，即闻名世界的“巨石阵”，它建于公元前2300年左右。该巨石阵的基本结构即由两块巨大的方体岩石垂直于地面，再在其上支撑起相同体量的横向岩石，犹如一道“石门”。到了古希腊、古罗马时期，梁柱体系更有了长足的发展，古希腊形成了严谨的三套基本柱式，即多立克柱式、爱奥尼柱式和科林斯柱式，这三套柱式系统从多方面对柱子进行了限定，已经远远超出了某种特定类型的柱子的范畴，而是包含了整个柱式的结构系统。罗马人进一步增加了塔司干和混合式柱式，形成了五大经典柱式体系。这些柱式本身分为三部分，即顶部、柱体、基座，其中顶部和基座是主要受力构件，柱体是传导力的构件。需要补充的是，古希腊、古罗马的柱式系统已经不仅仅作为结构存在，更是一种范式，具有浓厚的象征意义。多立克柱式象征男性威武的身躯，爱奥尼柱式象征女性婀娜的体态。亲爱的读者，您从柱式外观上是否隐约感觉到了呢？

罗马斗兽场，作为柱式系统集大成的杰作，气势恢宏。它外立面的围墙共分四层，每层均高10米以上，前三层均有柱式装饰，依次为多立克柱式、爱奥尼柱式、科林斯柱式，就像是一排排“士兵”“贵妇”“官爵”，不禁使人脑海中重现当时斗兽场的恢宏与壮观，耳畔重新响起震人心魄的呐喊！

爱奥尼柱式科林斯柱式多立克柱式

斗拱体系

中国建筑师的智慧结晶

与西方建筑多用石材不同，中国古代建筑以木材为主，形成了适应各种气候条件的木结构系统，包括抬梁、穿斗和井干三种不同结构。其中，抬梁式结构适用范围最广，这种木构架沿着房屋的进深方向在石础上立柱，柱上架梁，再在梁上重叠数层相对较细的梁和其他木构件，最终形成完整的木结构体系。这些木结构就如同鱼骨一样，作为房屋的主体受力体系，屋顶、墙壁等其他构件以此为基础，与之产生关系，最终一起形成房屋的基本形制。

在构架的节点上，中国古代建筑界最著名的发明—斗拱应运而生。所谓斗拱，即在方形座斗上用若干方形小斗与若干弓形的栱层叠装配而成，用于支撑上层梁和外檐的重量，出檐的深度越大，斗拱的层数越多。需要补充的是，后来斗拱渐渐成为不同阶层的代表，作为范式而使用，不同朝代由于礼制等级的不同，也延伸出万千的斗拱样式。

拱券和飞扶壁：

砖石建筑的最爱

拱券，作为建筑力学大家庭的重要一员，因为其纯压缩的受力特性，经常用于砖石类建筑。建筑大师路易斯·康就曾戏言：“砖对我说，我要成为拱券！”

在拱形结构中，由于砖石呈弧形且相互紧靠，因此只需传导相邻砖石带来的挤压力，直至传递到竖向柱构件，最终传导给大地即可。由于拱券受力相对简单，深得砖、石等建筑材料的喜爱。拱券的衍生结构体系有很多，例如拱顶、拱廊、圆屋顶、飞扶壁等等。拱顶最简单的形式是通过拉伸或者旋转平面上半圆形的拱而形成，前者形成具有一定高度的筒形拱顶，后者则形成气势磅礴的圆屋顶。

圆屋顶又称穹顶，提起它，笔者脑海中首先浮现的便是万神庙。这座建筑是古罗马时期的宗教建筑，后改建成一座教堂，代表了古罗马穹顶艺术的精粹。万神庙平面为圆形，大厅内部无柱，顶部中央开了一个直径8.9米的圆洞，任天光自由倾泻而下。试想，在万神殿内抬头仰望，壁龛内众神背后的故事，静谧而又空旷的天光，谁人不会感叹人类的渺小，谁人不会被此景震撼？

斗拱组成示意图

随着时间的推移，建筑师们逐渐发现可沿着拱顶的受力方向来排布肋条，于是，交叉拱顶也诞生了。它由两个直径一样的半圆形拱顶交叉而成，随之衍生出一系列极富表现力的拱顶，如尖拱、帆拱等等，在哥特式建筑中尤为常见。

此外，有掰弯过吸管的同学一定会有这样的体验，当吸管被掰弯时会产生一股为了复原而产生的向两侧的推力，拱券也不例外。为了抵抗此推力，哥特式建筑采用了在外部增加飞扶壁的方式，同时也大大增加了建筑的表现力，甚为壮观。

现代结构：

钢筋与混凝土的搭配

18世纪下半叶，随着价格低廉、结构稳固的铸铁工艺逐渐发展，现代新型钢结构呼之欲出。1851年，伦敦世界博览会的水晶宫以纯铁结构震惊了世界，拉开了现代结构的序幕。之后，硅酸盐水泥的出现，使得古罗马发明的混凝土获得新的生命力。

人类通过实验发现，混凝土和钢筋的膨胀系数相似，内部不会产生挤压和破坏，且黏结力很好。同时，钢筋能够补充混凝土抗拉、抗弯性能较弱的问题;混凝土又能在钢筋表面形成一层钝化保护膜，仿佛是钢筋的“保护外衣”。由此，“钢筋-混凝土结构”一举成为迄今为止人类发明的最佳建筑结构材料。

最初的钢筋混凝土结构，往往是相互垂直连接的正交结构体系。但是随着建筑师对材料性质认识的加深，异形钢筋混凝土结构的建筑如雨后春笋般蓬勃发展起来。它们每一个都是上天赐予的礼物，与众不同。其中最具代表性的包括法国柯布西耶设计的朗香教堂的自由墙面和屋顶、上海龙美术馆西岸馆的伞形混凝土结构、罗马小体育宫的Y形混凝土支撑以及印度昌迪加尔法院的翻卷混凝土屋顶，等等。

 斗拱体系展示（摄影/马之恒）

依托科技发展的

新型建筑体系

随着科学技术的进一步发展，解决建筑中力的传导问题也成为建筑师们大胆创新的领域。由此，诞生了很多突破性的新型建筑体系。如香港汇丰银行总部的悬架结构，从外部看，汇丰银行立面犹如一些串联起来的衣架，这些正是支撑大楼的结构骨架，换言之，楼板连接着骨架，墙体、栏杆连接着楼板，它们一层一层以不同方式“依附”在骨架之上，使得内部空间十分自由。

米兰大教堂的飞扶壁景观

此外，由于不同的结构拥有不同的力的传导方式，使得适应该结构的建筑造型各不相同。其中最为特殊且最富表现力的结构，我认为是悬索结构。卡拉特拉瓦的密尔沃基美术馆的主体结构是两个桅杆，由桅杆伸出无数条悬索拉住主体的建筑部分，犹如一只展开双翅的雄鹰，随时准备一飞冲天。这种设计为建筑赋予诗意般的结构美和运动感。

膜结构没有悬索结构的动感，但是却多了一份柔软，以上海世博会日本馆为例。由于支撑结构骨架均被外皮膜结构遮挡，因此给人柔和、安静的感受。此外，由于膜结构本身就是外表皮，通过植入光电板等科技设备，使得表皮能发电、呼吸。而有的膜结构建筑表面甚至能移动，就像一只安静的蚕蛹，能不断根据外部环境的变化改变自身的状态。